DE3438987C2

DE3438987C2 -

Info

Publication number: DE3438987C2
Application number: DE3438987A
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Fuchu Tokio/Tokyo Jp Shiokawa
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1983-10-24
Filing date: 1984-10-24
Publication date: 1992-01-23
Also published as: US4639597A; JPH0313702B2; JPS6091544A; DE3438987A1

Description

Die Erfindung betrifft Auger-Elektronenspektrometer ge mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.The invention relates to Auger electron spectrometers according to the preamble of claim 1 or 2.

Derartige Auger-Elektronenspektrometer sind beispielsweise aus der DE-OS 27 05 430 sowie der US-PS 42 05 266 bekannt. Bei diesen bekannten Auger-Elektronenspektrometer ist die Elektronen strahlachse der Elektronenkanone auf die zu analysierende Oberfläche gerichtet, wobei eine Elektronenstrahlquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls längs der Achse und ein Elektronenlinsensystem zwischen der Elektronenstrahlquelle und der Oberfläche vorgesehen sind. Für ein Elektronenlin sensystem können üblicherweise elektrostatische, spulenerregte elektromagnetische oder permanent magnetische Elektronen linsen verwendet werden. Derartige Elektronenlinsen sind beispielsweise in "Die Übermikroskopie" von B. von Borries, Verlag Dr. Werner Saenger, Berlin (1949), Seiten 26-43 be schrieben; es ist dort auf S. 26 dargestellt, daß zur Führung der Elektronenstrahlen verwendete Permanentmagnetlinsen neben den Permanentmagneten noch zwei axial versetzte Polstücke zur Formung des Magnetfeldes aufweisen.Such Auger electron spectrometers are, for example from the DE-OS 27 05 430 and the US-PS 42 05 266 known. With these known Auger electron spectrometer is the electrons beam axis of the electron gun to the one to be analyzed Surface directed, an electron beam source for Generate an electron beam along the axis and an Electron lens system between the electron beam source and the surface are provided. For an electron lens Sensing systems can usually be electrostatic, coil-excited electromagnetic or permanent magnetic electrons lenses are used. Such electron lenses are for example in "The Super Microscopy" by B. von Borries, Verlag Dr. Werner Saenger, Berlin (1949), pages 26-43 wrote; it is shown there on p. 26 that to manage the In addition to permanent magnet lenses, electron beams were used the permanent magnet two axially offset pole pieces to form the magnetic field.

Bei Auger-Elektronenspektrometern besteht grundsätzlich das Problem, daß einerseits die Fokussierung des primären Elektronen strahls bis nah an die Probenoberfläche erfolgen muß, ande rerseits aber die von der Probenoberfläche ausgehenden Au ger-Elektronen nicht durch das Linsensystem behindert wer den dürfen.This is basically the case with Auger electron spectrometers Problem that on the one hand the focusing of the primary electrons beam must be close to the sample surface, other on the other hand, the Au originating from the sample surface ger electrons are not hampered by the lens system that may.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die letzte Linse vor der Probe so auszustalten, daß auch bei geringem Abstand zwischen dieser Linse und der Proben oberfläche ein ausreichender Raumwinkel für die aus der Probenoberfläche austretenden Auger-Elektronen verbleibt.Accordingly, the invention is based on the object to design the last lens before the sample so that also with a small distance between this lens and the samples a sufficient solid angle for that from the Auger electrons emerging from the sample surface remains.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Auger-Elektronenspek trometer mit den im Patentanspruch 1 bzw. 2 angegebenen Merkmalen. This task is solved by an Auger electron spectrum trometer with those specified in claim 1 or 2 Characteristics.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeich nungen näher erläutert.Embodiments of the invention are based on the drawing nations explained in more detail.

Fig. 1 zeigt schematisch im Vertikalschnitt ein übliches Auger-Elektronenspektrometer; Fig. 1 shows schematically in vertical section a conventional Auger electron spectrometer;

Fig. 2 zeigt im Vertikalschnitt ein Auger-Elektronen spektrometer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 shows a vertical section of an Auger electron spectrometer according to a first embodiment of the invention;

Fig. 3, 4 und 5 zeigen perspektivisch, in Draufsicht und in Axialschnitt längs A-A ein Permanentmagnetelement als Elektronenstrahllinse; Fig. 3, 4 and 5 show in perspective, longitudinal and in plan view in axial cross-section AA is a permanent magnet element as an electron lens;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Elektronenstrahlkanone nach Fig. 2; Fig. 6 is a schematic illustration for explaining the operation of the electron beam gun of Fig. 2;

Fig. 7, 8 und 9 zeigen Vertikalschnitte durch permanentmagnet erregte Elektronenstrahllinsen gemäß einer zwei ten, dritten und vierten Ausführungsform der Er findung; Fig. 7, 8 and 9 show vertical sections through permanent magnet excited electron beam lenses according to a two th, third and fourth embodiment of the invention;

Fig. 10 zeigt perspektivisch eine fünfte Ausführungs form einer mit permanentmagnetbetriebenen Elek tronenstrahllinse für ein Auger-Elektronenspektro meter; Fig. 10 shows in perspective a fifth embodiment form of a permanent magnet operated electron beam lens for an Auger electron spectrometer;

Fig. 11 und 12 zeigen schematische Darstellungen von zwei Be triebszuständen eines Auger-Elektronenspektrome ters gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. FIGS. 11 and 12 show schematic representations of two operating states Be an Auger Elektronenspektrome ters according to a sixth embodiment of the invention.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst ein übliches Auger-Elek tronenspektrometer beschrieben, um das Verständnis der vor liegenden Erfindung zu erleichtern. Das Auger-Elektronen spektrometer hat eine Elektronenstrahlkanone 36 mit einer Elektro nenstrahlachse. Die Oberfläche einer Probe 23 erstreckt sich quer zur Elektronenstrahlachse. Die Elektronenstrahlkanone 36 strahlt einen Elektronenstrahl 24 auf die Oberfläche der Probe 23, um diese in bekann ter Weise zur Aussendung von Auger-Elektronen anzuregen.Referring to Fig. 1, a conventional Auger-Elek to understanding to facilitate the front lying invention will first be described tronenspektrometer. The Auger electron spectrometer has an electron beam gun 36 with an electron beam axis. The surface of a sample 23 extends transversely to the electron beam axis. The electron beam gun 36 emits an electron beam 24 onto the surface of the sample 23 in order to excite it in known manner to emit Auger electrons.

Die Elektronenkanone 36 umfaßt eine Elektronenstrahl quelle 25 zum Erzeugen des Elektronenstrahls 24 längs der Elektronenstrahlachse und ein Elektronenlinsensystem zwi schen der Elektronenstrahlquelle 25 und der Probe 23, um den Elektronenstrahl 24 entlang der Elektronenstrahl achse auf die Oberfläche der Probe zu führen.The electron gun 36 includes an electron beam source 25 for generating the electron beam 24 along the electron beam axis and an electron lens system between the electron beam source 25 and the sample 23 to guide the electron beam 24 along the electron beam axis to the surface of the sample.

Das Elektronenlinsensystem umfaßt eine erste, spulen erregte Elektronenlinse 26 nahe der Elektronenstrahlquelle 25. Diese erzeugt ein Magnetfeld zum Fokussieren des Elektronen strahls 24. Eine zweite spulenerregte Elektronenlinse 27 ist näher der Ober fläche der Probe 23 als die erste spulenerregte Elektronenlinse 26 angeordnet und erzeugt ein weiteres Magnetfeld zum Fokussieren des Strahls auf die Oberfläche. Jede der spulenerregten Elektronenlinsen 26 und 27 umfaßt eine Spule 29 und ein magnetisches Pol stück 30, und beide sind von einer Vakuumwand 31 umgeben.The electron lens system comprises a first, coil-excited electron lens 26 near the electron beam source 25 . This generates a magnetic field for focusing the electron beam 24 . A second coil-excited electron lens 27 is closer to the surface of the sample 23 than the first coil-excited electron lens 26 and generates another magnetic field for focusing the beam on the surface. Each of the coil excited electron lenses 26 and 27 includes a coil 29 and a magnetic pole piece 30 , and both are surrounded by a vacuum wall 31 .

Ein zylindrischer Analysator 32 vom Spiegeltyp umfaßt innere und äußere koaxiale zylindrische Elektroden 33 und 34 mit einer gemeinsamen Zylinderachse. Die innere zylindrische Elektrode 33 umfaßt einen inneren zylindrischen Raum. Die äußere zylindrische Elektrode 34 umgibt den inneren zylindrischen Raum, wobei ein ringförmiger Zwischenraum zwischen der inneren und äußeren zylindrischen Elektrode 33 und 34 freigelassen wird. Der zylindrische Analysator 32 vom Spiegeltyp analysiert die Auger-Elek tronen hinsichtlich ihrer Energie.A mirror-type cylindrical analyzer 32 includes inner and outer coaxial cylindrical electrodes 33 and 34 having a common cylinder axis. The inner cylindrical electrode 33 comprises an inner cylindrical space. The outer cylindrical electrode 34 surrounds the inner cylindrical space, leaving an annular space between the inner and outer cylindrical electrodes 33 and 34 . The cylindrical mirror type analyzer 32 analyzes the Auger electrons for their energy.

Eine Ionenkanone 35 hat eine Ionenstrahlachse und rich tet einen Ionenstrahl auf die Oberfläche der Probe 23, um diese zu ätzen. Die Ionenstrahlachse ist schräg zur Elektronenstrahlachse gerichtet und konvergiert mit der Elektronenstrahlachse im wesentlichen auf der Oberfläche der Probe.An ion gun 35 has an ion beam axis and directs an ion beam onto the surface of the sample 23 to etch it. The ion beam axis is directed obliquely to the electron beam axis and converges with the electron beam axis essentially on the surface of the sample.

Die Elektronenkanone 36, der zylindrische Analysator 32 vom Spiegeltyp und die Ionenkanone 35 sind in einem (nicht dargestellten) Vakuumgefäß des Auger-Elektronenspektro meters angeordnet. Die Elektronenkanone 36 und die Ionen kanone 35 sind außerhalb des Analysators 32 angeordnet.The electron gun 36 , the cylindrical mirror type analyzer 32 and the ion gun 35 are arranged in a vacuum vessel (not shown) of the Auger electron spectrometer. The electron gun 36 and the ion gun 35 are arranged outside the analyzer 32 .

Diese Anordnung hat die folgenden Nachteile.This arrangement has the following disadvantages.

Die Spule 29 hat eine große Oberfläche und setzt eine große Gasmenge frei. Infolgedessen ist die Spule 29 in einem abgetrennten Raum angeordnet, da das Auger-Elektronenspektro meter mit einem ultrahohen Vakuum betrieben werden muß. Die Spule 29 muß weiterhin eine hohe Anregekraft haben, da das magnetische Pol stück 30 eine große Öffnung d_m aufweist. Infolgedessen haben die spulenerregten Elektronenlinsen große Gesamtab messungen. Dies führt zu ernsthaften Problemen, da das Elektronenspektroskop 32 und die Ionenkanone 35 in dem Auger-Elektronenspektrometer nahe der Probe 23 angeordnet werden müssen. Dies geht nur, wenn der Abstand zwischen dem Ende der Elektronenkanone 36 und der Probe 23, der häufig als Arbeitsabstand d_w bezeichnet wird, sehr groß ist. Ein großer Arbeitsabstand d_w hat eine große sphärische Aberration zur Folge. Deshalb hat der Elektronenstrahl 24 auf der Probenoberfläche einen großen Durchmesser. The coil 29 has a large surface area and releases a large amount of gas. As a result, the coil 29 is arranged in a separate room, since the Auger electron spectrometer must be operated with an ultra-high vacuum. The coil 29 must also have a high excitation force, since the magnetic pole piece 30 has a large opening d _m . As a result, the coil-excited electron lenses have large overall dimensions. This leads to serious problems since the electron spectroscope 32 and the ion gun 35 have to be arranged in the Auger electron spectrometer near the sample 23 . This is only possible if the distance between the end of the electron gun 36 and the sample 23 , which is often referred to as the working distance d _w , is very large. A large working distance d _{w results} in a large spherical aberration. Therefore, the electron beam 24 has a large diameter on the sample surface.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Auger-Elektronenspektrometer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden für entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1. Bei diesem Auger-Elektronenspektrometer ist eine neuartige Elektronenkanone 36 in dem inneren zylindrischen Raum des Analysators angeordnet, wobei die Elektronenstrahl achse mit der gemeinsamen Zylinderachse koinzident ist.In the Auger electron spectrometer shown in FIG. 2 according to a first embodiment of the invention, the same reference numerals are used for corresponding parts as in FIG. 1. In this Auger electron spectrometer, a novel electron gun 36 is arranged in the inner cylindrical space of the analyzer, the Electron beam axis is coincident with the common cylinder axis.

Das Elektronenlinsensystem der Elektronenkanone 36 um faßt eine erste, elektrostatische Linse 37 nahe der Elek tronenstrahlquelle 25. Diese erste, elektrostatische Linse erzeugt ein elektrisches Feld zum Vorfokussieren des Elek tronenstrahls. Eine zweite elektrostatische Linse 38 ist in größerem Ab stand von der Elektronenstrahlquelle 25 als die erste elektrostatische Linse 37 angeordnet. Diese zweite elek trostatische Linse 38 erzeugt ein weiteres elektrisches Feld zum zusätzlichen Fokussieren des Elektronenstrahls. Die elektrostatischen Linsen 37 und 38 werden als Kondensorlinse betrieben.The electron lens system of the electron gun 36 includes a first electrostatic lens 37 near the electron beam source 25 . This first, electrostatic lens generates an electric field for prefocusing the electron beam. A second electrostatic lens 38 is in a larger Ab from the electron beam source 25 than the first electrostatic lens 37 is arranged. This second electrostatic lens 38 generates a further electric field for additional focusing of the electron beam. The electrostatic lenses 37 and 38 are operated as a condenser lens.

Ferner umfaßt das Elektronenlinsensystem eine permanentmagnetisch erregte Elektronenlinse 39, die näher an der Probenoberfläche angeordnet ist als die zweite elek trostatische Linse 38. Die Elektronenlinse 39 erzeugt ein Magnetfeld zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf die Oberfläche. Die Elektronenlinse 39 wird somit als Objektivlinse betrieben.Furthermore, the electron lens system comprises a permanently magnetically excited electron lens 39 which is arranged closer to the sample surface than the second electrostatic lens 38 . The electron lens 39 generates a magnetic field for focusing the electron beam on the surface. The electron lens 39 is thus operated as an objective lens.

Eine Ionenkanone 35 ist im inneren zylindrischen Raum so angeordnet, daß die Ionenstrahlachse nicht mit der ge meinsamen Zylinderachse zusammenfällt. Die Ionenkanone 35 richtet einen Ionenstrahl auf die Probenoberfläche entlang der Ionenstrahlachse.An ion gun 35 is arranged in the inner cylindrical space so that the ion beam axis does not coincide with the common cylinder axis. The ion gun 35 directs an ion beam onto the sample surface along the ion beam axis.

Gemäß Fig. 3 bis 5 umfaßt die Elektronenlinse 39 drei Permanentmagnetstücken 41.According to FIG. 3 through 5, the electron lens 39 comprises three permanent-magnet pieces 41st

Jedes der Permanentmagnetstücke 41 hat eine seiner Innen wand gegenüberliegende Außenwand, eine zwischen Innen- und Außenwand liegende erste Stirnwand, die zur zweiten elek trostatischen Linse 38 gerichtet ist, und eine zweite zwi schen Innen- und Außenwand liegende Stirnwand, die der ersten Stirnwand gegenüberliegt. Ein erstes magnetisches Polstück 42 hat eine erste Öffnung und ist in Kontakt mit den ersten Stirnflächen der Magnetstücke 41, wobei die erste Öffnung mit dem Innenraum in Verbindung steht. Ein zweites magnetisches Polstück 43 hat eine zweite Öffnung und liegt an den zweiten Stirnflächen der Magnetstücke 41 an, wobei die zweite Öffnung in Verbindung mit dem Innen raum steht. Durch den Innenraum und durch die erste und zweite Öffnung tritt der Elektronenstrahl hindurch.Each of the permanent magnet pieces 41 has an inner wall opposite its outer wall, a first end wall lying between the inner and outer wall, which is directed towards the second electrostatic lens 38 , and a second end wall lying between the inner and outer wall, which lies opposite the first end wall. A first magnetic pole piece 42 has a first opening and is in contact with the first end faces of the magnetic pieces 41 , the first opening communicating with the interior. A second magnetic pole piece 43 has a second opening and bears against the second end faces of the magnetic pieces 41 , the second opening being in communication with the interior space. The electron beam passes through the interior and through the first and second openings.

Durch diesen Aufbau werden eine Reihe von Vorteile gegenüber den bisher üblichen Auger-Elektronenspektro metern erzielt, die im folgenden beschrieben werden.This structure provides a number of advantages compared to the previously common Auger electron spectro Meters achieved, which are described below.

Die Elektronenlinse 39 kann mit sehr geringer Anregungskraft betrieben wer den, da die magnetischen Polstücke 42 und 43 sehr kleine Öffnungen d_m (Fig. 5) haben.The electron lens 39 can be operated with a very low excitation force because the magnetic pole pieces 42 and 43 have very small openings d _m ( FIG. 5).

Es ist weiterhin vorteilhaft für das Auger-Elektronenspektroskop, daß darin keine Wärme durch die Elektronenlinsen erzeugt wird. Durch den gewählten Aufbau der Elektronenlinse 39 ist es möglich den Ar beitsabstand d_w klein zu halten. Zusammen mit der klei nen sphärischen Aberration, die man durch die mittels Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 erhält, er gibt sich ein sehr kleiner Durchmesser des Elektronen strahls auf der Probenoberfläche 23.It is also advantageous for the Auger electron spectroscope that no heat is generated in it by the electron lenses. Due to the selected structure of the electron lens 39 , it is possible to keep the working distance d _w small. Together with the small spherical aberration which is obtained by the electron lens 39 excited by means of a permanent magnet, it results in a very small diameter of the electron beam on the sample surface 23 .

Da die Permanentmagnetstücke 41 einer re lativ hohenTemperatur von 200 oder 300°C standhalten, ist es möglich, die gesamte Konstruktion zum Entgasen aus zuheizen. Since the permanent magnet pieces 41 withstand a relatively high temperature of 200 or 300 ° C, it is possible to heat the entire construction for degassing.

Da die Permanentmagnetstücke 41 in der beschriebenen Elektronenlinse 39 in Winkelabständen an geordnet sind, schließen sie eine Vielzahl von azi mutalen Zwischenräumen zwischen sich ein. Durch diese azimutalen Zwischenräume können Auger-Elektronen hin durchtreten, so daß es möglich ist, die Probe 23 sehr nahe der Elektronen linse 39 anzuordnen, d. h. mit einem kleinen Arbeitsab stand d_w (Fig. 2 und 5) zu arbeiten, im wesentlichen ohne die Bahnen der Auger-Elektronen zu beeinträchtigen. Es ist vorteilhaft, wenn jedes Permanentmagnetstück 41, von der Pro be 23 aus gesehen, eine geringe Breite hat.Since the permanent magnet pieces 41 in the described electron lens 39 are arranged at angular intervals, they enclose a large number of azi mutal spaces between them. Through these azimuthal gaps, Auger electrons can pass through, so that it is possible to arrange the sample 23 very close to the electron lens 39 , ie to work with a small working distance d _w ( FIGS. 2 and 5), essentially without the Orbits of the Auger electrons. It is advantageous if each permanent magnet piece 41 , seen from the Pro 23 , has a small width.

Bei dem in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Auger-Elektronenspektrometer kann der Winkel zwischen dem Elek tronenstrahl und dem Ionenstrahl sehr klein gewählt werden, wenn der Ionenstrahl durch die Elek tronenlinse 39 hindurchtritt. Es ist deshalb möglich, eine hohe Auflösung in der Tiefenrichtung der Probe 23 zu erzielen. Normalerweise hat eine Probe 23 eine rauhe Oberfläche mit zahlreichen Vorsprüngen und Vertiefungen. Wenn der Ionenstrahl mit der Flächennormalen einen großen Winkel, d. h. mit der rauhen Oberfläche einen kleinen Winkel bildet, werfen die Vorsprünge der Probe 23 große Schatten auf die Vertie fungen in der Richtung des Ionenstrahls. Hierdurch wird die Auflösung der Analyse in der Tiefenrichtung der Probe 23 verringert. Damit der Ionenstrahl nahezu senkrecht auf die Probenober fläche auftreffen kann, ist in dem ersten magnetischen Pol stück 41 ein Loch 42′ für den Ionenstrahl vorgesehen, der in Fig. 5 als dicke durchgehende Linie gezeichnet ist.In the Auger electron spectrometer shown in FIGS . 2 to 5, the angle between the electron beam and the ion beam can be selected to be very small when the ion beam passes through the electron lens 39 . It is therefore possible to achieve a high resolution in the depth direction of the sample 23 . Typically, a sample 23 has a rough surface with numerous protrusions and depressions. When the ion beam makes a large angle with the surface normal, that is, with the rough surface, the projections of the sample 23 cast large shadows on the depressions in the direction of the ion beam. This reduces the resolution of the analysis in the depth direction of the sample 23 . So that the ion beam can hit the sample surface almost perpendicularly, a hole 42 'is provided for the ion beam in the first magnetic pole piece 41 ', which is drawn in Fig. 5 as a thick solid line.

Die Arbeitsweise der Elektronenkanone 36 wird anhand von Fig. 6 beschrieben. In dieser Figur ist f der Fokus auf der Probe 23 (Fig. 2 und 5); R_o ist der Apertur- oder Objektwinkel, R_a ist der Akzeptanzwinkel. Die erste und zweite elektrostatische Linse 37 und 38 haben jeweils Elektroden 44 und veränderbare Span nungsquellen 45.The operation of the electron gun 36 is described with reference to FIG. 6. In this figure, f is the focus on sample 23 ( FIGS. 2 and 5); R _o is the aperture or object angle, R _a is the acceptance angle. The first and second electrostatic lenses 37 and 38 each have electrodes 44 and variable voltage sources 45 .

Der Elektronenstrahl 24 wird von der Elektronenstrahl quelle 25 erzeugt und hat eine Energie von mehreren tausend Elektronenvolt. Der Elektronenstrahl 24 wird durch die Lin sen 37 bis 39 fokussiert und hat im Fokus f einen kleinen Durchmesser. Es ist möglich, die Brennweite der Linsen 37 und 38 durch Verän dern der Spannungsquelle 45 zu ändern. Dagegen hat die Lin se 39 eine feste Brennweite. Trotz dieser festen Brennweite ist es möglich, die Lage des Fokus f zu verändern, indem die Brennweite der Linse 38 eingestellt wird. Die Justierung des Fokus f des Strahls 24 erfolgt somit über die Linse 38. Die Linse 37 definiert die Größe des Strahlstroms durch Änderung des Akzeptanzwinkels R_a.The electron beam 24 is generated by the electron beam source 25 and has an energy of several thousand electron volts. The electron beam 24 is focused by the lines 37 to 39 and has a small diameter in the focus f. It is possible to change the focal length of the lenses 37 and 38 by changing the voltage source 45 . In contrast, the lens 39 has a fixed focal length. Despite this fixed focal length, it is possible to change the position of the focus f by adjusting the focal length of the lens 38 . The focus f of the beam 24 is thus adjusted via the lens 38 . The lens 37 defines the size of the beam current by changing the acceptance angle R _a .

Die Elektronenkanone 36 hat eine sehr kleine sphärische Aberration, da die magnetische Linse 39 als Objektivlinse verwendet wird. Es ist anzumerken, daß die Linsen 37 und 38 eine beträchtliche sphärische Aberration haben, da es sich um elektrostatische Linsen handelt. Es ist jedoch aus der Optik bekannt, daß die sphärische Aberration vernachlässig bar wird, wenn der Elektronenstrahl 24 einen kleinen Apertur- oder Objektwinkel hat.The electron gun 36 has a very small spherical aberration because the magnetic lens 39 is used as an objective lens. It should be noted that lenses 37 and 38 have considerable spherical aberration since they are electrostatic lenses. However, it is known from optics that the spherical aberration becomes negligible when the electron beam 24 has a small aperture or object angle.

Es ist nicht vorteilhaft, in der Elektronenkanone 36 eine hohe Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl 24 zu verwenden, da das Magnetfeld festliegt. Es ist jedoch zu beachten, daß ein Auger-Elektronenspektrometer die beste Detektierungsempfindlichkeit hat, wenn die Be schleunigungsspannung im Bereich von 3 bis 5 kV liegt. Jenseits dieses Bereiches ist nicht nur die Detektierungs empfindlichkeit schlecht, sondern die Probe kann beschä digt werden.It is not advantageous to use a high acceleration voltage for the electron beam 24 in the electron gun 36 since the magnetic field is fixed. However, it should be noted that an Auger electron spectrometer has the best detection sensitivity when the acceleration voltage is in the range of 3 to 5 kV. Beyond this range, not only is the detection sensitivity poor, but the sample can be damaged.

Fig. 7 zeigt eine andere, permanentmagnetisch erregte Elektronenlinse 39 für ein Auger-Elektronenspektrometer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ent sprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen be zeichnet. Die Elektronenlinse 39 umfaßt ein einzelnes Per manentmagnetstück, welches wiederum mit 41 bezeichnet ist. Dieses Permanentmagnetstück 41 ist kegelstumpfförmig mit einer inneren Umfangsfläche, einer dieser gegenüberliegen den äußeren Umfangsfläche, einer ersten Stirnfläche zwi schen der inneren und äußeren Umfangsfläche, welche zur zweiten elektrostatischen Linse 38 gerichtet ist, und eine zweite Stirnfläche gegenüber der ersten Stirnfläche und zwischen der inneren und äußeren Umfangsfläche. Die Fläche der zweiten Stirnfläche ist kleiner als die der ersten Stirnfläche. Aufgrund dieser kleineren Fläche können die Auger-Elektronen außerhalb der äußeren Um fangsfläche vorbeifliegen, so daß die Probe 23 nahe an der Elektronenlinse 39 angeordnet werden kann. Fig. 7 shows another permanent magnet excited electron lens 39 for an Auger electron spectrometer according to a second embodiment of the invention. Corresponding parts are marked with the same reference numerals. The electron lens 39 comprises a single per manentmagnetstück, which in turn is designated 41 . This permanent magnet piece 41 is frusto-conical with an inner circumferential surface, one of which is opposite the outer circumferential surface, a first end surface between the inner and outer circumferential surface, which is directed to the second electrostatic lens 38 , and a second end surface opposite the first end surface and between the inner and outer peripheral surface. The area of the second face is smaller than that of the first face. Because of this smaller area, the Auger electrons can fly past the outer circumferential surface, so that the sample 23 can be arranged close to the electron lens 39 .

Das erste magnetische Polstück 42 hat eine erste Öff nung und liegt an der ersten Stirnfläche des Permanent magneten 41 an, wobei die erste Öffnung mit dem Innenraum in Verbindung steht. Das zweite magnetische Polstück 43 hat eine zweite Öffnung und liegt an der zweiten Stirn fläche des Permanentmagneten 41 an, wobei die zweite Öff nung in Verbindung mit dem Innenraum steht. Der Innenraum und die erste und zweite Öffnung bilden einen Durchtritts kanal für den Elektronenstrahl.The first magnetic pole piece 42 has a first opening and lies against the first end face of the permanent magnet 41 , the first opening being connected to the interior. The second magnetic pole piece 43 has a second opening and rests on the second end face of the permanent magnet 41 , the second opening opening being connected to the interior. The interior and the first and second openings form a passage for the electron beam.

Die Elektronenlinse 39 weist ferner eine ringförmige Elektrode 46 auf, die im Innenraum zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Polstück 42 und 43 angeordnet ist. Diese ringförmige Elektrode 46 dient zum Erzeugen eines elektrischen Feldes und um gibt ein Loch für den Durchtritt des Strahls. Die beiden magnetischen Polstücke 42 und 43 und die ringförmige Elektrode 46 sind gemeinsam als eine elektrostatische Linse mit frei variierbarer Brennweite betreibbar. Dabei wird den beiden magnetischen Polstücken 42 und 43 zwangs weise eine gemeinsame Spannung gegeben. An die ringför mige Elektrode 46 wird eine elektrische Spannung angelegt, die von der gemeinsamen Spannung verschieden und re lativ zu dieser einstellbar ist. In Kombination mit der magneterregten Elektronenlinse 39 bietet die ring förmige Elektrode 46 ein Mittel zum exakten Einstellen des Fokus f (Fig. 6) auch bei Variation der Beschleuni gungsspannung des Elektronenstrahls 24 (Fig. 2 und 6).The electron lens 39 also has an annular electrode 46 which is arranged in the interior between the first and second magnetic pole pieces 42 and 43 . This ring-shaped electrode 46 is used to generate an electric field and there is a hole for the passage of the beam. The two magnetic pole pieces 42 and 43 and the ring-shaped electrode 46 can be operated together as an electrostatic lens with a freely variable focal length. The two magnetic pole pieces 42 and 43 are forcibly given a common voltage. An electrical voltage is applied to the ring-shaped electrode 46 , which voltage is different from the common voltage and can be adjusted relative to it. In combination with the magnetically excited electron lens 39 , the ring-shaped electrode 46 offers a means for precisely adjusting the focus f ( FIG. 6) even when the acceleration voltage of the electron beam 24 is varied (FIGS . 2 and 6).

Die in Fig. 8 gezeigte dritte Ausführungsform der magneterregten Elektronenlinse 39 entspricht im Aufbau der nach Fig. 7, wobei jedoch eine magnetische Kurzschluß brücke 47 vorgesehen ist, die mit dem ersten und zweiten magnetischen Polstück 42 und 43 verbunden ist. Die Kurz schlußbrücke 47 besteht aus zwei Stäben aus ferromagne tischem Material, deren Enden an dem ersten bzw. zweiten magnetischen Polstück 42, 43 befestigt sind und die zwischen ihren freien Enden einen Spalt bilden. Die freien Enden sind zu einem Paar von Kontakten (nicht dargestellt) ge führt. Wie ein Relaisschalter werden die Kontakte in ge steuerter Weise geschlossen und geöffnet, und zwar durch mechanische Kräfte, magnetische Kräfte, elektrische Kräfte, Wärme od. dgl.The third embodiment shown in Fig. 8 of the magnetically excited electron lens 39 corresponds in structure to that of FIG. 7, but with a magnetic short circuit bridge 47 is provided which is connected to the first and second magnetic pole pieces 42 and 43 . The short circuit bridge 47 consists of two rods made of ferromagnetic material, the ends of which are attached to the first and second magnetic pole pieces 42 , 43 and which form a gap between their free ends. The free ends lead to a pair of contacts (not shown). Like a relay switch, the contacts are closed and opened in a controlled manner, namely by mechanical forces, magnetic forces, electrical forces, heat or the like.

Durch diese Konstruktion ist es möglich, die Brennweite durch Schließen und Öffnen der Kontakte zu ändern. Es ist somit möglich, die Brennweite der Elektronenkanone 36 (Fig. 2 und 6) einzustellen.This construction makes it possible to change the focal length by closing and opening the contacts. It is thus possible to adjust the focal length of the electron gun 36 ( FIGS. 2 and 6).

Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform der permanent erregten Elektronenlinse 39 für das Auger-Elektronenspektrome ter entspricht den beiden vorigen Ausführungsformen, hat jedoch eine magnetische Kurzschlußbrücke mit einer einzigen Stange 48, die das erste und zweite magnetische Polstück 42 und 43 verbindet. Die Stange 48 besteht aus weichmagnetischem Material. Eine Spule 49 ist um die Stange 48 gewickelt und dient zur gesteuerten Veränderung der Magnetflußdichte in dem magnetischen Stab 48. Im Gegensatz zu der Kurzschluß anordnung 47 nach Fig. 8 kann mit der Kurzschlußanordnung 48, 49 nach Fig. 9 die Brennweite kontinuierlich eingestellt werden.The embodiment of the permanently excited electron lens 39 for the Auger electron spectrometer shown in FIG. 9 corresponds to the two previous embodiments, but has a magnetic short-circuit bridge with a single rod 48 , which connects the first and second magnetic pole pieces 42 and 43 . The rod 48 is made of soft magnetic material. A coil 49 is wound around the rod 48 and serves to control the change in the magnetic flux density in the magnetic rod 48 . In contrast to the short-circuit arrangement 47 according to FIG. 8, the focal length can be set continuously with the short-circuit arrangement 48 , 49 according to FIG. 9.

In Fig. 10 ist eine weitere permanentmagnetisch erregte Linse 39 zur Verwendung in einem Auger-Elektronenspektro meter gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese zeichnet sich durch einen schichtenweisen Aufbau an der mittleren Umfangsfläche aus. Dieser Schichten aufbau umfaßt eine alternierende Anordnung aus nichtmagne tischen dünnen Schichten 50 und magnetischen dünnen Schich ten 51, die abwechselnd auf die Umfangsfläche aufgebracht sind, wobei eine der nichtmagnetischen Schichten 50 in di rektem Kontakt mit dem Permanentmagneten 41 steht.In Fig. 10, a further permanent magnet excited lens 39 is shown for use in a meter Auger Elektronenspektro according to a fifth embodiment of the invention. This is characterized by a layered structure on the middle circumferential surface. This layer structure comprises an alternating arrangement of non-magnetic table layers 50 and magnetic thin layers 51 , which are alternately applied to the peripheral surface, one of the non-magnetic layers 50 being in direct contact with the permanent magnet 41 .

Grundsätzlich kann eine ein Magnetfeld erzeugende Quelle durch eine magnetische Schicht abgeschirmt werden, um das magnetische Streufeld zu reduzieren. Eine noch wirksamere magnetische Abschirmung erhält man durch eine Anzahl von magnetischen Schichten, zwischen denen mindestens eine nichtmagnetische Schicht angeordnet ist. Bei gegebener Dicke der magnetischen Abschirmung ergibt eine Anzahl von magnetischen Schichten eine bessere Abschirmwirkung als eine einzige magnetische Schicht.Basically, a source generating a magnetic field be shielded by a magnetic layer in order to to reduce stray magnetic field. An even more effective one magnetic shielding is obtained by a number of magnetic layers, between which at least one non-magnetic layer is arranged. Given Magnetic shield thickness gives a number of magnetic layers a better shielding effect as a single magnetic layer.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist die permanent magnetisch erregte Elektronenlinse 39 magnetisch abgeschirmt, ohne daß Form und Abmessungen wesentlich verändert sind. Beispielsweise kann ein nichtmagnetischer Film 50 durch Beschichten der äußeren Umfangsfläche des Permanentmagneten mit Kupfer mit einer Dicke von einigen hundertstel Millimetern gebildet werden. Ein magnetischer Film 51 wird auf der Kupferschicht 50 durch Beschichten mit Eisen oder Nickel bis zu einer Dicke von mehreren hundertstel Millimetern gebildet. Diese Be schichtungen werden mehrere Male wiederholt. Es ist hier durch möglich, den Permanentmagneten 41 vollständig ab zuschirmen mittels eines Schichtenpaketes, welches nur etwa ein oder zwei Millimeter dick ist. Falls gewünscht, kann eine Maske verwendet werden, um die Beschichtung stellenweise wegzulassen.In the embodiment according to FIG. 10, the permanently magnetically excited electron lens 39 is magnetically shielded without the shape and dimensions having been significantly changed. For example, a non-magnetic film 50 can be formed by coating the outer peripheral surface of the permanent magnet with copper having a thickness of a few hundredths of a millimeter. A magnetic film 51 is formed on the copper layer 50 by coating with iron or nickel to a thickness of several hundredths of a millimeter. These coatings are repeated several times. It is possible here to completely shield the permanent magnet 41 by means of a layer package which is only about one or two millimeters thick. If desired, a mask can be used to partially omit the coating.

Bei der sechsten Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 erreicht nur ein Teil der Elektronen die Probe 23. Es ist bekannt, daß ein Auger-Elektronenspektrometer 36 eine Emp findlichkeit hat, die proportional zu dem Betrag des Elektronenstromes der auf die Probe 23 auftreffenden Elektronen ist. Da der Betrag des Elektronenstroms von dem Akzeptanzwinkel R_a (Fig. 11 und 12) der Elektronen abhängt, steigt die Empfindlichkeit bei Zunahme des Akzeptanzwinkels R_a an. Andererseits ist es aus Gründen der räumlichen Auf lösung erwünscht, daß die Elektronen auf der Probe 23 eine Abbildung von möglichst kleinen Abmessungen bilden. Die Größe der Abbildung hängt ab von dem Verkleinerungs maßstab, d. h. dem Kehrwert der Vergrößerung, der reprä sentiert wird durch das Verhältnis des Akzeptanzwinkels zum Objektwinkel (R_a/R_o). In Fig. 11 und 12 kann das Verkleinerungsverhältnis z. B. 1 : 10 bzw. 1 : 100 betragen. Die Bildgröße verringert sich mit der dritten Potenz des Objektivwinkels R_a.In the sixth embodiment according to FIGS. 11 and 12, only some of the electrons reach the sample 23 . It is known that an Auger electron spectrometer 36 has a sensitivity which is proportional to the amount of the electron current of the electrons impinging on the sample 23 . Since the amount of the electron current depends on the acceptance angle R _a ( FIGS. 11 and 12) of the electrons, the sensitivity increases with an increase in the acceptance angle R _a . On the other hand, for reasons of spatial resolution, it is desirable that the electrons on the sample 23 form an image of the smallest possible dimensions. The size of the image depends on the scale of reduction, ie the reciprocal of the magnification, which is represented by the ratio of the acceptance angle to the object angle (R _a / R _o ). In Figs. 11 and 12, the reduction ratio may be, for. B. 1:10 or 1: 100. The image size decreases with the third power of the lens angle R _a .

Beim üblichen Verfahren wird eine Blende zwischen der Elektronenquelle 25 und der elektrostatischen Linse 37 angeordnet. Die Blende wird so eingestellt, daß sie eine bestimmte Öffnung hat und die Empfindlichkeit sowie räum liche Auflösung steuert.In the usual method, an aperture is arranged between the electron source 25 and the electrostatic lens 37 . The aperture is set so that it has a certain opening and controls the sensitivity and spatial resolution.

In Fig. 11 und 12 ist dagegen eine Blende 52 zwischen den elek trostatischen Linsen 37 und 38 angeordnet, sie hat eine Öffnung von vorgegebener Größe. Bei dieser Konstruktion wird also die Öffnung der Blende nicht verändert, um die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung zu steuern. Statt dessen wird bei der Elektronenkanone 36 die Brennweite der elektrosta tischen Linse 37 variiert. In Figs. 11 and 12, however, a diaphragm 52 between the elec trostatischen lenses 37 is arranged, and 38, it has an opening of predetermined size. With this construction, the aperture of the aperture is not changed in order to control the sensitivity and spatial resolution. Instead, the focal length of the electrostatic lens 37 is varied in the electron gun 36 .

In Fig. 11 ist die elektrostatische Linse 37 so gesteuert, daß sie eine große Brennweite hat. Hierdurch erhält man eine hohe Empfindlichkeit, da der Akzeptanzwinkel R_a vergrößert wird. Dafür wird jedoch die räumliche Auflösung verringert, da man einen großen Abbildungsmaßstab von 1 : 10 hat und des halb einen großen Objektivwinkel R_o. In Fig. 12 ist die elektrostatische Linse 37 so gesteuert, daß ihre Brenn weite klein ist. Infolgedessen erhält man eine hohe räum liche Auflösung, da der Abbildungsmaßstab auf etwa 1 : 100 verringert und der Objektivwinkel R_o klein ist. Anderer seits ist die Empfindlichkeit niedriger als in Fig. 11. Somit wird der Objektivwinkel R_o verändert in Abhängig keit von dem Abbildungsmaßstab durch Ändern der Brennweite der elektrostatischen Linse 37. In Fig. 11, the electrostatic lens 37 is controlled to have a large focal length. This gives a high sensitivity, since the acceptance angle R _a is increased. However, the spatial resolution is reduced because you have a large image scale of 1:10 and half a large lens angle R _o . In Fig. 12, the electrostatic lens 37 is controlled so that its focal length is small. As a result, a high spatial resolution is obtained, since the magnification is reduced to approximately 1: 100 and the lens angle R _{o is} small. On the other hand, the sensitivity is lower than in Fig. 11. Thus, the lens angle R _{o is} changed depending on the imaging scale by changing the focal length of the electrostatic lens 37 .

Jede der elektrostatischen Linsen 37 und 38 kann auch vom Zylinderlinsentyp anstelle des Drei-Elektrodentyps nach Fig. 6 sein.Each of the electrostatic lenses 37 and 38 may also be of the cylindrical lens type instead of the three-electrode type shown in FIG. 6.

Claims

1. Auger electron spectrometer with an electron beam gun ( 36 ) for directing an electron beam ( 24 ) onto the surface of a sample ( 23 ) and with an electron analyzer ( 32 ) for analyzing and detecting Auger electrons, the electron beam gun ( 36 ) lengthways the electron beam axis has an electron source ( 25 ) and an electron lens system between the electron source ( 25 ) and the sample surface, characterized in that the electron lens system as the last lens before the sample has a permanent magnet lens ( 39 ) which has two axially symmetri cal, axially spaced pole pieces ( 42 , 43 ), which are arranged along the electron beam axis and are each provided with a central opening, and a plurality in the azimuthal direction narrow permanent magnet pieces ( 41 ) between the pole pieces ( 42 , 43 ).

2. Auger electron spectrometer with an electron beam gun ( 36 ) for directing an electron beam ( 24 ) onto the surface of a sample ( 23 ) and with an electron analyzer ( 32 ) for analyzing and detecting Auger electrons, the electron beam gun ( 36 ) lengthways the electron beam axis has an electron source ( 25 ) and an electron lens system between the electron source ( 25 ) and the sample surface, characterized in that the electron lens system as the last lens before the sample has a permanent magnet lens ( 39 ) which has two axially symmetri cal, axially spaced pole pieces ( 42 , 43 ), which are arranged along the electron beam axis and are each provided with a central opening, and a tapering in the electron beam direction, hollow truncated cone-shaped permanent magnet piece ( 41 ) between the pole pieces ( 42 , 43 ) .